La constante cosmologique, pour le meilleur et pour le pire

La constante cosmologique, pour le meilleur et pour le pire

André Füzfa

Professeur à l’Université de Namur (Belgique)

En collaboration avec Eve-Aline Dubois

Plan

La constante cosmologique L Qu’est-ce que la Science?

La constante cosmologique pour le meilleur?!

La constante cosmologique pour le pire…

Invitation au questionnement

LA CONSTANTE COSMOLOGIQUE

Première partie:

L’Univers Invisible

─ Matière uniquement W_m=1

─ Matière + Energie Noire (LCDM, W_m=0.24 ; W_L=0.76)

Intensité des fluctuations (µK²)

Taille angulaire des fluctuations (°) Fonds diffus cosmologique

Distance r (h^-1 Mpc)

Corrélation

─ SDSS Luminous Red Galaxies

─ LCDM, W_m=0.24 ; W_L=0.76

─ OCDM, W_m=0.24

Module de distance

Redshift Supernovae

Oscillation Acoustique des Baryons

Nobel 2011

Lentilles gravitationnelles

Dynamique galactique

Formation des galaxies

L’accélération de l’expansion cosmique

─ Accélération

─Décélération

UNION 2010 data

De quoi l’Univers est-il fait?

Atomes ~4%

Matière

noire ~20%

Radiations

~0.01%

Energie noire- Constante cosmologique

L ^~76%

Composition actuelle en énergie de l’Univers

(>95% C.L.)

Equation des cosmologies (c=1):

Condition d’accélération:

Pour la constante cosmologique:

Accélération cosmique!

Qu’est-ce que l’énergie sombre?

L’accélération cosmique requiert des

pressions négatives!

Effet Casimir:

Fluctuations du vide quantique

Exemple de

Pressions négatives!

E_vide↑ E_vide

E_vide↑↑↑

Expansion cosmique produit davantage d’énergie du vide

Accélération Cosmique!

Gaz ordinaire:

La pression est dirigée vers l’extérieur (p>0)

Variation de l’énergie interne:

DU=-p DV<0 pendant l’expansion (DV>0)

Energie du vide?

↓

Constante cosmologique

d’Einstein

L

Petite histoire de la constante cosmologique

Einstein (1917) : propriétés de la gravitation à l’infini

➜ Univers immuable, fini et sans bord

➜ Introduction de la constante cosmologique , compatible avec les hypothèses d’Einstein:

le principe de relativité générale (covariance)

le principe d’équivalence

➜ Souhait d’Einstein : introduire un principe de Mach

(matière nécessaire pour définir un espace-temps courbe)

➜ Equilibre instable gravité (matière) – antigravité ()

de Sitter (1917):

➜ Univers vide soumis à une force de répulsion due à L>0

➜ La matière n’est pas nécessaire pour avoir un espace-temps courbe : Mach?!

Equations d’Einstein

Petite histoire de la constante cosmologique

Lemaître (1927): premier modèle du « Big Bang chaud » en 3 phases:

➜ Univers primordial dominé par la matière avec expansion décélérée

➜ Période transitoire quasi-statique : formation des grandes structures

➜ Univers tardif à la de Sitter avec accélération

Découverte de l’expansion cosmologique (années 1920):

➜ Einstein abandonne la constante cosmologique L (rasoir d’Occam)

➜ L devient une curiosité mathématique pour quelques décénnies…

jusqu’à son grand retour aujourd’hui!

Univers hésitant de Lemaître Modèle de

concordance LCDM

Facteur d’échelle

Temps

Modèle de Lemaître visionnaire!

(dans LCDM:

formation des structures durant l’ère dominée par la

matière)

 Théorie quantique des champs et gravitation: le vide devrait avoir une

énorme

 Observations (modèle de concordance):

 Pourquoi la constante cosmologique est-elle si petite?

 Pourquoi l’énergie du vide (quantique) est-elle aussi grande que l’énergie critique (cosmologie) aujourd’hui?

(l’énergie noire est-elle vraiment constante?)

L’insoutenable légèreté du vide

Problème de l’ajustement fin!

Problème de la Coincidence!

dans 1cm³

Echelle d’énergie de la gravitation quantique

x10

x1

« Désaccord » d’un facteur 10¹²³

Les maux de la constante cosmologique L

Problème de l’ajustement fin:

➜ L_obs~10^-52m^-2 et L>10^-54m^-2 pour 1% d’énergie noire aujourd’hui

➜ Interprétation quantique: désaccord de 123 ordres de grandeur

➜ Origine de la constante cosmologique?

Problème de la coïncidence cosmique

Coïncidence

Emission du Rayonnement

fossile

─ SCDM

─ LCDM

QU’EST-CE QUE LA SCIENCE?

Deuxième partie:

Qu’est-ce qu’une théorie scientifique?

Avertissements:

➜ Question du ressort de la philosophie des sciences

➜ Pas de définition arrêtée, critères non exhaustifs

➜ (Dé-)Ontologie personnelle, variable suivant les auteurs

Science:

➜ Explication de la Nature par la Nature sans recourir à l’arbitraire ni au surnaturel

➜ Deux piliers en échange permanent :

Théorie (hypothèses, lois, modèle)

Expérience

Remarques:

➜ Chez certains: science = reproduction des phénomènes et non explication

➜ Explication: élargissement de notre vision du monde, mais son caractère naturel reste subjectif (exemples: modèle héliocentrique, relativité)

➜ S’applique aussi aux mathématiques avec le calcul numérique comme laboratoire auquel on doit ajouter la démonstration

Science ou pseudo-science?

Karl Popper : scientifique si falsifiabilité (réfutabilité)

➜ Les hypothèses doivent être testables par l’expérience (même de pensée)

➜ Il est possible d’envisager une situation où l’hypothèse serait fausse

➜ En cas de désaccord, l’hypothèse est remise en question.

Thomas Kuhn: autres critères possibles :

➜ Cohérence interne (liens avec théories précédentes et construction logique)

➜ Cohérence externe (falsifiabilité)

➜ Reproduction des observations déjà expliquées et des non-expliquées

➜ Simplicité: le moins possible d’hypothèses et d’éléments non justifiables

(rasoir d’Occam)

➜ Fécondité : nouvelles prédictions et conséquences non prévues a priori

Remarques:

➜ La falsification peut prendre du temps

➜ Certaines théories sont fausses mais peuvent contenir des éléments vrais (ex. modèle de Copernic)

➜ Simplicité: critère subjectif

Falsifiable ou pas ?

« Il ne pleut jamais le mercredi »

➜ Falsifiable (surtout en Belgique…) et l’expérience est concevable

« On peut avoir de la chance au loto »

➜ Soit on ne joue pas au loto: on ne peut pas décider si c’est vrai

➜ Soit on joue: peu importe que l’on gagne ou pas on pourra dire que les gagnants ont eu de la chance

➜ Non falsifiable car il n’y a aucun cas où ce serait faux

« Tous les points d’un cercle sont équidistants de son centre »

➜ Définition du cercle en géométrie: axiome

➜ Non falsifiable: il n’existe pas de cercle où les points seraient non équidistants par définition

➜ Remarque: on peut utiliser les propriétés dérivées de celle du cercle (p par exemple) pour tester les axiomes d’Euclide

Quelles critères pour la Science?

Positions philosophiques subjectives mais qui participent au succès objectif d’une théorie, notamment technologique

➜ Falsification

➜ Reproduction efficace des phénomènes

➜ Caractère explicatif

➜ Fécondité et capacité prédictive

➜ Élégance mathématique ou conceptuelle

➜ Etc.

Utilisons ces critères pour examiner des argumentaires sur l’ajustement fin de la constante cosmologique

➜ Mécanismes cosmologiques (quintessence, etc.)

➜ Argumentaires anthropiques: les multivers et le dessein intelligent

LA CONSTANTE

COSMOLOGIQUE, POUR LE MEILLEUR?!

Troisième partie:

Mécanismes cosmologiques

On ne considère pas le problème de l’ajustement fin Coïncidence cosmique:

➜ explicable si l’énergie noire est reliée à un mécanisme cosmologique

➜ La densité d’énergie noire évolue au cours de l’expansion cosmique

➜ La proportion d’énergie noire est reliée à celle des autres ingrédients

Une « constante » cosmologique variable ? L(x

)? NON!

➜ Violation de la conservation d’énergie

➜ Principe de relativité générale: une dynamique pour L(x^m)!

Solution: modification des équations d’Einstein

➜ Membre de gauche: modification de la gravitation

➜ Membre de droite: modification de la matière

➜ Les deux points de vue sont équivalents

Equations d’Einstein sans constante cosmologique

L=0

Exemple: la quintessence

Ingrédient supplémentaire de la soupe cosmique (avec les radiations, la matière ordinaire, la matière noire, etc.)

Propriétés:

➜ Noire: interaction uniquement via la gravitation standard

➜ Nouveau type de matière donnant des pressions négatives (accélération)

➜ Gravitation n’est pas modifiée (relativité générale)

➜ Sa densité d’énergie évolue au cours du temps

➜ Elle peut se concentrer par effondrement gravitationnel

Avantages:

➜ Dynamique cosmologique riche (théorie des systèmes dynamiques)

➜ Modélisation en physique des particules (candidats de champs scalaires)

➜ Densité d’énergie de quintessence peut être importante même dans l’univers primordial à l’opposé du scénario constante cosmologique

➜ Existence d’attracteurs expliquant naturellement la coincidence

Quintessence et attracteurs cosmologiques

Coïncidence Aujourd’hui

Emission du Rayonnement

fossile

Régime

primordial Transition

de phase Régime

attracteur Régime

attracteur

La convergence vers l’attracteur se fait depuis un large domaine de conditions

initiales dans l’univers primordial

Réfutabilité de la quintessence

Variation temporelle

➜ À l’opposé de L, le rapport pression sur densité de la quintessence varie au cours du temps, ce qui laisse une trace sur les observables

cosmologiques (expansion cosmologique, formation des grandes structures, etc.)

Variation spatiale

➜ La densité de quintessence est variable et peut influencer les puits de potentiel dans lesquels se forment les amas de galaxies

Candidat en physique des hautes énergies

➜ Nombreux champs scalaires (« cousins » du Higgs)

➜ Possibilité de détecter la particule de quintessence en laboratoire

Couplage direct ou indirect avec la matière ordinaire

➜ Énergie sombre et non plus noire

➜ Violation du principe d’équivalence, variation des constantes fondamentales…

La quintessence: panacée universelle?

Report du problème de l’ajustement fin de paramètres sur celui de l’ajustement de la dynamique (fonctions arbitraires)

Mécanismes d’attraction encore non complètement satisfaisants

Candidat sérieux en physique des hautes énergies encore

manquant (très basses énergies) et aucun candidat attracteur

Quintessence : ajout d’une nouvelle particule au modèle

standard, mais indépendante des autres (contrainte très forte)

Au-delà d’Einstein avec l’énergie noire…

Gravité d’Einstein:

Energie sombre gelée

Energie sombre variable

(avec uniquement des interactions gravitationnelles)

Energie noire couplée (Not so dark)

Ouverture sur une nouvelle physique!

Constante Cosmologique

Quintessence

Nouvelle physique?

Modification de la gravitation?

Dimensions supplémentaires?

Nouveau paradigme cosmologique?

Ajustement fin/ coincidence

Autres empreintes physiques que l’expansion cosmique

Principe d’Equivalence

LA CONSTANTE

COSMOLOGIQUE, POUR LE PIRE

Quatrième partie:

Principes anthropiques (1/2)

Postulat:

➜ L’existence de la vie sur Terre est un fait non trivial sinon unique

Idée:

➜ Théories physiques doivent prendre en compte ce fait comme observation

Principe anthropique faible

➜ la présence d’observateurs dans l’Univers impose des contraintes sur les paramètres cosmologiques et les constantes fondamentales

➜ Toutes les univers possibles ne sont pas compatibles avec notre existence

➜ Conditions nécessaires à l’existence de la vie

(exemple de condition nécessaire : il est nécessaire de jouer pour gagner mais ce n’est hélàs pas suffisant…)

Arguments anthropiques pour L

Si L avait été trop grande, il n’y aurait pas pu y avoir de structures cosmiques

gravitationnellement liées comme les galaxies.

Si L avait été trop négative, l’Univers aurait connu une contraction précoce vers un Big Crunch

La densité d’énergie due à L, r

anthropiquement contrainte par

-10

m

<r

<10

m

(où m

est l’échelle de Planck)

Les contraintes expérimentales sur r

sont plus fortes:

r

~10

m

Les multivers

Apparentés au principe anthropique faible

Mondes multiples au lieu d’unique (uni-vers -> multi-vers)

➜ En relativité générale:

« Univers observables »: bulles de régions causales dans un univers d’étendue infinie

Différentes valeurs de L peuvent être produites comme reliquat de l’inflation

➜ En théorie des cordes:

Branes à 3D dans un univers à 10 dimensions spatiales

« Paysage des cordes »: lois de la physique variables suivant les branes, y compris la valeur de L

Valeur de L justifiée par sélection anthropique:

➜ Les observateurs n’existent que dans les « univers » avec une valeur de L compatible avec leur existence

➜ Biais: nous ne pouvons observer que certaines valeurs particulières de L

➜ Le gagnant du Loto doit-il s’étonner d’être riche?

Quelques critiques des multivers

Falsification? Peut-être si

➜ les univers multiples ne sont pas indépendants entre eux ou pas inaccessibles (univers pas si parallèles)…

➜ il existe d’autres prédictions reliées non ambigües testables

Elégance et simplicité? (c’est trop facile un seul univers ?) Fécondité et capacité prédictive?

« Syndrome du gagnant du Loto » (I. Hacking) :

➜ lorsqu’un événement rare se produit lors d’un processus aléatoire, on peut conclure, à tort, que le processus s’est déjà produit plusieurs fois avec un résultat négatif

➜ Faux: les résultats d’un processus aléatoire sont indépendants entre eux

Théorie des probabilités:

➜ Pour utiliser un caractère aléatoire, il faut la possibilité de pouvoir reproduire l’expérience

➜ Inapplicable en cosmologie: une seule réalisation de l’Univers nous est accessible!

Principes anthropiques (2/2)

Principe anthropique fort

➜ Les propriétés de l’Univers et les constantes fondamentales sont justes comme il faut de sorte que la vie apparaisse

(conditions nécessaires et suffisantes: y a rien à jeter…)

➜ Principe de cohérence: : il existerait une description unifiée de tout l’Univers dont le fil conducteur est l’existence d’observateurs

➜ Notre existence ne serait donc ni un accident ni un fruit du hasard

Principe anthropique intentionnel (ou finaliste):

➜ L’Univers et les lois fondamentales sont ainsi sont pour que la vie apparaisse

➜ Notre existence serait la « meilleure explication » de l’Univers

« Les gens qui n’ont pas d’idées peuvent quand même avoir des principes »

Edward Kolb,

à propos des adeptes

du principe anthropique

Le dessein intelligent

Position finaliste apparentée au principe anthropique intentionnel

Thèse du « Discovery Institute » :

« Certaines observations de l’univers et du monde vivant sont mieux expliquées par une cause intelligente que par des processus non-dirigés tels que la sélection naturelle »

Selon cette thèse, la valeur de L est directement imputable à une intelligence extérieure au Monde

➜ Bienveillante car valeur de L conforme aux exigences anthropiques

➜ Aux desseins mystérieux puisque L ≠ 0 pour une raison encore obscure (eschatologique?)

Le dessein intelligent se prétend scientifique mais…

Les dangers du dessein intelligent

Non-scientifique:

➜ interprétation par une cause extérieure arbitraire « sur-naturelle » ou artificielle

➜ Inconsistance logique (ne pas avoir d’autre explication que l’arbitraire n’est pas une « meilleure explication »)

➜ Non-falsifiable car non prédictif puisque purement arbitraire

➜ Fin de la science car renoncement à l’explication

Nature de l’agent intelligent?

➜ Si Dieu: créationnisme = position concordiste réfutable en science comme en théologie

➜ Sinon: êtres pentadimensionnels? (des suggestions?)

Dangereux:

➜ Pour la science: plus de questionnement => fanatisme

➜ Pour la société: montée en force de la pseudo-science et de la superstition

Conclusions

L’énergie noire: un défi pour la Science

Mécanismes cosmologiques

➜ Scientifique: cohérent, réfutable, prédictif et testable

➜ Ouverture à de la nouvelle physique et potentiel d’enrichissement de notre vision du monde

Argumentaires anthropiques:

➜ Multivers: pas scientifiques si pas réfutables ou testables

➜ Dessein intelligent: pas scientifique et dangereux

La science, cet exercice périlleux ... Qui est aussi le vôtre!

« Ce n’est pas le monde qui est le lieu de la question,

mais la question qui est le lieu du monde. »

Nahman de Braslav

Notes de cours fil de 2011 à 2013:

http://perso.fundp.ac.be/~afuzfa/Fleurance/

Plan

Motivation: modèle de concordance et réflexion sur la science La constante cosmo: kesako?

➜ Motivations historiques

➜ L et fondements de la RG

➜ Statuts théorique et observationnels (accélération)

➜ Problèmes associés à la valeur de L (fine-tuning et coincidence)

épistémologie autour de Lambda

➜ Critères épistémologiques de science et de pseudo-science

➜ Réfutabilité, cohérence, falsifiabilité, rasoir d’Occam, élégance, etc.

➜ Exemples d’énoncés falsifiables, parallèle avec géométrie euclidienne

Revue critique des arguments autour de Lambda

➜ Multivers et sélection anthropique (syndrome du gagnant du Lotto)

➜ Intelligent design, interprétations finalistes et pseudo science

➜ Quintessence et autres mécanismes cosmologiques

Conclusion:

➜ qu’est-ce que la Science? Science et bon sens

➜ Science, intelligible et questionnement

➜ Appel au scientifique en chacun de nous

« Encore un modèle d’énergie sombre?! »

De nombreuses interprétations de l’accélération cosmique ont été proposées…

CERTES, MAIS

Filiation avec de vieilles et profondes idées en physique

➜ L: idées de Mach en relativité générale

➜ Quintessence : champ scalaire inspiré par la physique des

particules

➜ Coupled DE : variation des constantes de la physique

➜ Backreactions: modèles d’Univers inhomogènes de Lemaître-

Tolman

➜ Brane cosmology: extra-dimensions à la Kaluza-Klein

➜ F(R)-gravity : théorie du champ unitaire d’Einstein

➜ AWE: approche de Brans-Dicke du principe de Mach

Opportunité unique d’éprouver enfin ces idées…

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De quoi l’Univers est-il fait?

Atomes ~4%

Matière

noire ~20%

Radiations

~0.01%

Energie noire- Constante cosmologique

L ^~76%

Composition actuelle en énergie de l’Univers

(>95% C.L.)

Que se cache-t-il derrière l’énergie noire?

Explication, interprétation ou modèle?

Regard critique sur 3 approches des problèmes de la

constante cosmologique

Science ou pseudo-science?

La coincidence cosmique

 Interprétation de L comme énergie du vide

→ La covariance (invariance sous Lorentz) impose que la valeur dans le vide quantique de l’énergie vaille

 Evolution cosmologique de LCDM et coïncidence cosmique

─ SCDM

─ LCDM

Coïncidence

Emission du Rayonnement

fossile

L’être humain est-il au centre de l’Univers?

Face à ces constatations, un argumentaire anthropique, centré sur l’existence de l’être humain, s’est développé en cosmologie.

Le principe anthropique faible consiste à dire que la présence d’observateurs dans l’Univers impose des contraintes sur les paramètres cosmologiques. Toutes les cosmologies possibles ne sont pas compatibles avec notre existence, nous sommes les grands gagnants de la loterie cosmique.

Le principe anthropique faible est généralement bien accepté même si les conditions de notre existence sont souvent moins contraignantes que les contraintes expérimentales.

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Le cosmos est-il intelligent?

Le principe anthropique fort va plus loin en postulant que l’Univers est tel que les observateurs puissent y apparaître.

On peut le voir soit comme un principe de cohérence : il existe une description unifiée de tout l’Univers dont le fil conducteur est l’existence d’observateurs. Notre existence n’est alors pas considérée comme un accident ou un fruit du hasard.

Mais ce principe peut aussi se concevoir de façon finaliste ou intentionnelle. Notre existence serait la « meilleure explication » de l’ajustement fin. Cette vision non scientifique (car non réfutable) est celle du créationnisme ou du dessein intelligent.

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